半导体薄膜技术与物理
半导体器件物理--薄膜晶体管(TFT) ppt课件
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移. 16 ppt课件
6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
8 ppt课件
TFT的工作原理
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
5 ppt课件
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
半导体薄膜技术与物理
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
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P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。
R 淀D 积速率D ：RM TP2dP1
α1：基板表面凝结系数， T1：基板温度。
M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。
1.
扩散速率：
2.
溅射速率：
Rd 1P1
M
2RT1
14
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三 极（四极）溅射 阴极溅射原理图 三极（四极）溅射原理图 无栅极时为三极溅射 有栅极时为四极溅射
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
1
直流辉光 放电过程 的形成 VB： 击 穿电压
2
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增 加电源功率，可同时提高放电区的电压和 电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压 P遵守以下关系：
半导体薄膜
汇报人：XX
目录
• 半导体薄膜概述 • 半导体薄膜制备技术 • 半导体薄膜结构与性能 • 半导体薄膜应用实例 • 半导体薄膜材料发展趋势与挑战
01
半导体薄膜概述
定义与特点
定义
半导体薄膜是一种具有半导体性质的薄膜材料，其厚度通常在纳米至微米级别 。这种材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率，因此被称为半导体。
。
缺陷对性能的影响
缺陷对半导体薄膜的性能有重要 影响，如影响载流子浓度、迁移
率、光学透过率等。
电子结构与能带
能带结构
01
半导体薄膜的能带结构决定了其电子状态和电子行为。通常包
括价带、导带和禁带三部分。
载流子类型
02
半导体薄膜中的载流子可以是电子或空穴，这取决于其掺杂类
型和浓度。
载流子浓度和迁移率
03
回收利用
建立完善的回收利用体系，对废旧半导体薄膜进行 回收和再利用，降低资源浪费和环境污染。
THANKS
感谢观看
大面积均匀性控制技术挑战
薄膜沉积技术
如化学气相沉积、物理气相沉积等，需要优化工艺参数，提高薄膜 大面积均匀性。
表面处理技术
如机械抛光、化学抛光等，可以改善基底表面粗糙度，提高薄膜附 着力和均匀性。
薄膜转移技术
如卷对卷技术、激光转移技术等，可以实现大面积薄膜的快速、高效 转移。
提高稳定性及寿命问题探讨
现状
目前，半导体薄膜的制备技术已经非常成熟，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、电化学沉积等 多种方法。同时，半导体薄膜的应用领域也在不断扩展，涉及到电子、光电、生物医学、环境科学等多个领域。
应用领域与前景
应用领域
半导体 薄膜制备
半导体薄膜制备
半导体薄膜制备是制造半导体器件的重要步骤之一。
制备半导体薄膜的常用技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）和溶液法等。
其中，PVD和CVD是最常用的技术。
PVD技术利用高能粒子轰击靶材，使其材料蒸发并沉积在基片上形成薄膜。
常用的PVD技术包括物理气相沉积（PVD）、电子束物理气相沉积（EB-PVD）和磁控溅射等。
CVD技术通过在反应室中引入化学物质，让它们在高温和低压下进行化学反应，形成薄膜。
常见的CVD技术有低压化学气相沉积（LPCVD）、热化学气相沉积（HTCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。
MBE技术是在高真空环境中，利用高能电子束或离子束在基片表面上原子层沉积形成薄膜。
溶液法是将半导体材料溶解在溶剂中，再通过溶液反应或化学沉积法将薄膜形成在基片上。
半导体薄膜制备是半导体工艺中至关重要的步骤，直接影响着器件的性能和质量。
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
半导体薄膜工艺
半导体薄膜工艺
半导体薄膜工艺是制造半导体器件的关键技术。
它是在
半导体表面沉积出一层薄膜形成特定的电路图案，一道道电路图案，以准确控制电子设备的性能和特性。
半导体薄膜工艺首先要考虑的是器件的设计，然后制定
出合适的工艺。
根据薄膜的不同，技术方法也有所差异，包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。
这些工艺中，PVD技术指的是子元素以物理方式沉积在衬底表面，CVD技术
则是利用反应化合物在高温下反应而形成的，被称为“化学沉积法”。
由于PVD和CVD两种方法都可以用于沉积半导体膜，只有结合试验和计算才能确定更有效的半导体膜沉积参数，提高生产效率。
此外，在半导体薄膜工艺制备过程中，可能出现的缺陷，如气泡、裂纹等。
半导体材料的本质是脆性的，所以如果这些缺陷在温度、压力等变化时没有得到正确的控制，可能会造成器件性能降低。
因此，除了使用恰当的技术参数以外，在控制工艺参数时也要特别小心，以减少这些缺陷的出现。
最后，半导体薄膜工艺的过程十分繁琐，需要准确控制
它的参数，保证生产的稳定性和器件的质量。
只有完善的流程管理，才能提高生产效率，确保产品的质量。
半导体技术-薄膜沉积
薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。
分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。
溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。
由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。
2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。
3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。
半导体器件物理与工艺笔记
半导体器件物理与工艺笔记半导体器件物理与工艺是一个关于半导体器件的科学领域，主要研究半导体材料的性质、器件的物理原理以及制造工艺等方面的知识。
以下是一些关于半导体器件物理与工艺的笔记：1. 半导体基本概念：- 半导体是指在温度较高时表现出导电性的材料，但在室温下又是非导体的材料。
- 半导体材料有两种类型：N型半导体和P型半导体。
N型半导体是掺杂了电子供体（如磷或砷）的半导体，P型半导体是掺杂了空穴供体（如硼或铝）的半导体。
2. PN结：- PN结是由N型半导体和P型半导体通过扩散而形成的结构。
- 在PN结中，N区的自由电子从N区向P区扩散，而P区的空穴从P区向N区扩散，产生了电子-空穴对的复合，形成正负离子层。
- 在PN结的平衡态下，电子从N区向P区扩散的电流等于空穴从P区向N区扩散的电流，从而形成零电流区域。
3. PN结的运行状态：- 正向偏置：将P区连接到正电压，N区连接到负电压，使PN结变突。
此时，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，形成正向电流。
- 反向偏置：将P区连接到负电压，N区连接到正电压。
此时，电子从P区向N区流动，空穴从N区向P区流动，形成反向电流。
- 断电区：当反向电压超过一定电压（称为击穿电压）时，PN结会进入断电区，电流急剧增加。
4. 半导体器件制造工艺：- 掺杂：在制造半导体器件时，需要将掺杂剂（如磷、硼等）加入到半导体材料中，改变半导体的电子结构，使其成为N型或P型半导体。
- 光刻：通过光刻技术，在半导体材料表面上制作出微小的图案，用于制造电路中的导线和晶体管等元件。
- 氧化：将半导体材料置于高温下与氧气反应，形成一层硅氧化物薄膜，用于对半导体器件进行绝缘和隔离。
- 金属沉积：将金属材料沉积在半导体材料上，用于制造电子元件中的金属电极。
- 焊接：将多个半导体器件通过焊接技术连接在一起，形成电子电路。
这些只是半导体器件物理与工艺的一部分内容，该领域还涉及到更深入的知识和技术。
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溅射率与入射离子能量的关系
<150eV：平方关系 150~1000eV：正比关系 103~104eV：趋于饱和 >104eV：下降（注入增加）
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60o：单调增加 70~80o：最大 90o：0
10
溅射率与靶材原子序数的关系
同周期元素：溅射率随原子序数增大而增加 Ag、 Au、Cu溅射率大；C、Si、Ti等的溅射率较小
采用正交电磁场能够提高离化率 离化率：0.3~0.5% 5~6%
衬底：“近冷” 态
电子在正交电磁场中的运动轨迹
磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪
18
磁控溅射电极类型
19
2.3.6 反应溅射
应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法： 高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射
例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物 在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等
RDD RM TP2dP1
D：扩散系数，R：气体普适系数，T：绝对温度， P2：靶附近蒸汽压，P1：基板附近蒸汽压，d：靶至基板的距离。 （3）淀积速率：
Rd 1P1
M
2RT1
α1：基板表面凝结系数，T1：基板温度。
15
2.3.5 溅射的种类
（1）阴极（二极）溅射和三极（四极）溅射
阴极溅射原理图
三极（四极）溅射原理图
U E Fj P
E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数
4
弧光放电区： U↑→阴极强电场↑→暗区收缩↓
BE
Pdc
A UE
j>0.1A/cm2, U↓→j↑（弧光放电）
dc：暗区厚度 A、B为常数
气压P太低，两极间距太小： 没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭
气压P太高： 二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电
3
Y42
r 4mImA mI mA
E E
E：入射粒子能量 E0：升华热（eV） mI：入射粒子质量 mA：靶材原子的质量 r：~mA/mI函数
4mImA/(mI+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递 的贡献 当mI=mA时，传递系数为1，入射能量全部传递给靶原子
9
溅射率与入射离子的能量成正比，还与入射离子的入射角有关
21
热蒸发粒子的平均能量只有0.1~0.2eV，而溅射粒子可达10~20eV， 比热蒸发高出二个数量级。
11
Xe+轰击靶材时溅射率与温度的关系
温度低时：几乎不变化 超过一定温度时：急剧增加（高温，靶原子本身热动能大）
12
不同能量的Ar+对几种化合物的溅射率
靶电压 (keV) 0.2
0.6
1
2
5
LiF<100>
1.3
1.8
CdS<1010>
0.5
1.2
GaAs<110>
0.4
0.9
PbTe<110>
半导体薄膜技术与物理
2.3 溅射（Sputtering）
2.3.1 溅射的基本原理
荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子 的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射
荷能粒子：离子 （易于在电磁场中加速或偏转）
伴随着离子轰击固体表面的各种现 象（右图）： 1）大部分中性粒子（成膜） 2）二次电子（辉光放电） 3）少部分二次离子 4）气体解吸、加热等其他现象
Ar+：平均速度=3~6105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV
轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
14
2.3.4 溅射速率和淀积速率
（1）溅射速率：
RSma x NS/M NA
N：单位时间碰撞在单位靶面积上的粒子数，S：溅射率， M：靶材原子量，NA：阿佛伽德罗常数。 （2）扩散速率：
5
溅射过程察不符而被否定）
（2）动量理论(级联碰撞理论) 离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能
大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。 （研究溅射的基础）
6
2.3.2 溅射阈和溅射率
溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量
95%的离子能量作为热量损耗掉 5%的能量传递给二次发射的粒子
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100：10：1
2
直流辉光放电过程的形成 VB： 击穿电压
3
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电” 当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的 电压和电流密度，溅射电压U，电流密度j和气压P遵守以下关系：
反应物之间产生反应的必要条件：反应物分子必须有足够高的能量以克服 分子间的势垒
20
势垒与能量关系为： Ea=NA
Ea为反应活化能，NA为阿佛伽德罗常数。
Ea和Ea分别为正、逆向反应活化能 x：反应物初态能量 W：终态能量 T：活化络合物能量 E：反应物与生成物能量之差
根据过渡态模型理论，两种反应物的分子进行反应时，首先经过过渡态 以活化络合物，然后再生成反应物，如上图所示。可见，反应物要进行 反应，必须有足够高的能量去克服反应活化能。
无栅极时为三极溅射
有栅极时为四极溅射
16
（2）射频（高频）溅射
可溅射绝缘体。 高频范围：5~30MHz（一般rf＝13.56MHz ）
射频溅射原理图
17
（3）磁控溅射
磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中 电子的运动轨迹，改进溅射的工艺 电子在正交电磁场中的作用力：
F e E e ( V H )
0.6
1.4
SiC<0001>
0.45
SiO2 Al2O3
0.13
0.4
0.04
0.11
溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来 确定，存在较大的差异性。
13
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV
溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说：
溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热
7
一些金属的溅射阈（eV）
8
溅射率（又称溅射产额）：正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴 极上打出的原子数 影响因素：入射粒子的类型（离化气体）、能量、角度、靶材的类型、 晶格结构、表面状态、升华热等 单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高